上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望

激光康普顿散射(Laser Campton Scattering, LCS)光源,是一种基于相对论电子束与激光光子相互作用的新型X-ray或Gamma-ray光源。它具有能量高、波长短、脉冲快和峰值亮度高的特性,已成为国际先进光源技术的重要选项之一。本文介绍了激光康普顿散射光源的产生原理、国内外发展现状以及目前国际上运行和在建的激光康普顿散射光源装置,其中重点介绍了上海光源二期正在建设的上海激光电子伽马源(Shanghai Laser Electron Gamma Source, SLEGS)装置,以及在这一光源装置上可以开展的核物理、核天体物理、核废料处理及核医学应用等研究。随着上海软X射线自由电子激光试验装置(Soft X-ray Free Electron Laser, SXFEL)升级为用户装置,以及未来十三五国家重大科技基础设施-硬X射线自由电子装置(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility,SHINE)的建设完成,基于直线电子加速器(LINear ACcelator, LINAC)的康普顿散射光源的伽马能量将会达到GeV量级的高能量。超短脉冲、高极化度、高通量的激光康普顿散射光源将迎来新的发展机遇,基于康普顿伽马光源的核物理、天体物理、粒子物理及应用基础研究也必将迈上一个新台阶。     

高能同步辐射光源直线加速器初期调束取得重要进展

高能同步辐射光源（HEPS）是中国第一台第四代高能同步辐射光源,其加速器由直线加速器、增强器、储存环及输运线组成。报道了HEPS直线加速器的初期束流调试重要进展。HEPS直线加速器是一台500 MeV S波段常温直线加速器,由热阴极电子枪、聚束系统、主直线加速器构成。在按时完成设备加工、安装和老练的基础上,于2023年3月9日启动束流调试,当天实现束流全线贯通。3月14日束流能量达到500 MeV,束团电荷量达到2.5 nC。经过测量,直线加速器出口束流能散0.4%,能量稳定度0.06%,水平和垂直几何发射度分别为233 nm和145 nm。目前直线加速器束团电荷量可达到7.0 nC,相关束流调试正在进行。     

储存环全相干光源

基于电子储存环的同步辐射具有稳定性高、光子能量范围广、支持多用户等优势，但其辐射相干性较差。在储存环上实现相干辐射不但可以大幅提高辐射光的相干性，同时还可以极大地提高特定频谱范围内的光通量、亮度和能量分辨率。随着光通量的提高，其功率有可能达到工业应用的水平，这将拓展光源的应用范围。回顾了基于电子束储存环的各类相干光源的发展历史，并展望其发展趋势。     

基于能量回收技术的光源——ERL光源

能量回收技术将使用后的电子束进行能量回收,用于加速后续束团,可大大减少加速器消耗的射频功率和有害辐射。基于能量回收技术的光源除节能环保外,还具有束团短、发射度低的特点,可有效提高光源的峰值亮度和相干性,是一种很有潜力的未来先进光源。介绍能量回收直线加速器技术的基本原理、相关关键物理问题和技术以及能量回收直线加速器发展现状,最后简要介绍几个国际上提出的典型能量回收直线加速器光源方案。     

适用于色敏解调的光位移传感器宽带LED

为保证光位移传感器的工作性能,输入光源在500~800 nm波长范围内需具有较高的光谱能量,照明用LED波长在700 nm以上光谱能量陡降,限制了传感器的工作范围.针对照明用LED光谱能量不足的问题,研制出适用于色敏解调光位移传感器的宽带LED光源.首先利用单色仪对光位移传感器色敏元件WS7.56的性能进行了测试,依据色敏解调结果提出了光位移传感器正常工作所需的输入光源的光谱能量阈值.在照明用LED光谱特性基础上,配比掺杂氮氧化物红色荧光粉提升LED红光及近红外光光谱能量,得到了满足输入光源光谱能量阈值的宽带LED.最后,对该宽带LED光位移传感器进行了位移测量实验,实验结果较使用照明用LED光源有明显改善,位移解调线性度良好.本文研制的宽带LED光源体积小、效率高,是光位移传感器较为理想的宽带光源.     

合肥国家同步辐射光源

光，或者更普遍地说电磁辐射，是人类观察和研究自然界所不可缺少的工具．同步辐射这种具有许多优异特性的电磁辐射更不例外，虽然发现的时间不长，却已广泛应用于许多科学和技术领域，推动了科学技术的长足进步．我国于１９７８年开始筹建自己的同步辐射光源──合肥国家同步辐射光源．它由一台 ８００ＭｅＶ电子储存环和一台 ２００ＭｅＶ直线加速器注入器组成．它于 １９８４年 １１ 月动工，１９８９年 ４月建成出光，１９９１年６月调试结果，其主要性能指标已达到国际先进水平．本文重点介绍合肥国家同步辐射光源，同时还阐述同步辐射和同步辐射光源的一些基本问题．     

上海同步辐射光源高压相关线站概述

同步辐射X射线与基于金刚石对顶砧(DAC)和大体积压机(LVP)的静高压技术的结合推动了高压科学的发展。上海同步辐射光源(SSRF)是性能指标达到世界一流的中能第三代同步辐射光源,其中的硬X射线微聚焦及应用光束线站(BL15U1)具备高通量、能量可调的单色微束X射线,空间分辨达到微米至亚微米量级,在开展DAC高压研究方面有相当大的优势。自2010年对从事高压科学研究的用户开放以来,国内外高压科学研究者综合利用BL15U1线站高压实验方法取得了一系列有影响力的成果。此外,在建的上海光源二期线站工程中的超硬多功能线站(BL12SW)中配备200 t和2 000 t大压机,将成为开展LVP原位高压实验的有力平台。为促进用户对SSRF高压研究相关线站的了解,更好地利用相关平台开展研究工作,并为后续线站建设和实验方法发展提出宝贵建议,本文对BL15U1和BL12SW线站的布局、性能指标、实验站主要设施以及相关实验方法等进行了较为完整的介绍。     

固态同位素β源选择对直充式核电池性能的影响

直充式核电池具有工作寿命长、结构简单、开路电压高、易微型化等优点,具有广泛的应用前景。目前,国内外对直充式核电池同位素源的选择多集中在同位素β源,尚未对不同同位素β源进行系统的分析对比。针对此问题,通过理论计算及SuperMC建模处理,研究了3H（Ti3H₂）、14C,35S,45Ca,63Ni及147Pm六种固态同位素β源对直充式核电池的能量转换效率及理论输出功率的影响。结果显示,能量转换效率随源衰变粒子平均能量的升高而增大;理论输出功率及功率密度与源半衰期成反比。综合工作寿命、输出功率及能量转换效率,建议选用147Pm同位素源。     

面向片上传感量子级联激光器的研究进展（特邀）

作为一种新型半导体激光器,量子级联激光器因其独特的子带间跃迁机制,具有高速响应、高非线性、输出波长大范围可调等特点。近年来随着输出光功率和电光转化效率等性能指标的快速提升,量子级联激光器已成为中红外至太赫兹波段（波长约为3～300μm）的主流激光光源,在大气污染监控、气体检测、太赫兹成像、生物医疗以及空间光通信等领域具有重要科学意义和应用价值。本文阐释了量子级联激光器的发展历程以及工作原理;分别重点讨论了中红外量子级联激光器在高效率、大功率、波长可调谐以及片上传感的应用等方面的研究进展,并对基于中红外量子级联激光器差频太赫兹光源和光频梳的发展进行叙述,最后进行了简要总结与展望。     

高能同步辐射光源

基于多弯铁消色散结构的超低发射度储存环光源是新一代同步辐射光源发展的一个重要方向。作为国内第一台第四代同步辐射光源,高能同步辐射光源已经完成物理及工程设计,并于2019年启动建设。高能同步辐射光源电子能量6 GeV,流强200 mA,水平自然发射度低于60 pm?rad,可提供能量达300 keV的X射线,在典型硬X射线波段的同步辐射亮度达1×1022 phs·s?1·mm?2·mrad?2·（0.1%bw）?1,可为材料科学、化学工程、能源环境、生物医学、航空航天、能源环境等众多基础和工程科学研究领域提供先进的实验平台。本文将介绍高能同步辐射光源项目的整体方案及物理设计。     

Preliminary experimental study and simulation of an energy-tunable quasi-monochromatic laser-Compton X/γ-ray source

We propose a slanting collision scheme for Compton scattering of a laser light against a relativistic electron beam. This scheme is suitable to generate an energy-tunable X/γ-ray source. In this paper, we present theoretical study and simulation of the spectral, spatial and temporal characteristics of such a source. We also describe two terms laser-Compton scattering (LCS) experiments at the 100 MeV Linac of Shanghai Institute of Applied Physics, where quasi-monochromatic LCS X-ray energy spectra with peak energies of ～30 keV are observed successfully. These preliminary investigations are carried out to understand the feasibility of developing an energy-tunable quasi-monochromatic X/γ-ray source, the future Shanghai Laser Electron Gamma Source.     

Preliminary experimental study and simulation of an energy-tunable quasi-monochromatic laser-Compton X/γ-ray source

We propose a slanting collision scheme for Compton scattering of a laser light against a relativistic electron beam. This scheme is suitable to generate an energy-tunable X/γ-ray source. In this paper, we present theoretical study and simulation of the spectral, spatial and temporal characteristics of such a source. We also describe two terms laser-Compton scattering (LCS) experiments at the 100 MeV Linac of Shanghai Institute of Applied Physics, where quasi-monochromatic LCS X-ray energy spectra with peak energies of ～30 keV are observed successfully. These preliminary investigations are carried out to understand the feasibility of developing an energy-tunable quasi-monochromatic X/γ-ray source, the future Shanghai Laser Electron Gamma Source.     

Compton Back-Scattering γ-Ray Source Based on Synchrotron Radiation Facility (Ⅰ) Numerical Calculation of the Produced MeV γ-Ray

We propose a build to low-energy γ-ray beam line (SLEGS-Ⅰ) at the Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF). By Compton back scattering (BCS) of infrared or far-infrared laser lights from 3.5 GeV electrons circulating in the storage ring of SSRF, high intense quasi-monochromatic BCS γ-rays with high linear or circular polarization ranging 1-25MeV will be produced. It can be widely applied to fundamental researching fields of nuclear physics, nuclear astrophysics and related applications. In this paper, we briefly present the outline of BCS theory and the properties of BCS γ-ray with numerical compution based on the major parameters of SSRF storage ring.     

上海激光电子γ源

激光具有高强度、 高极化度等优异的性能。 用激光束轰击高能电子束就可以产生高强度、 高极化度的γ射线束。 上海激光电子γ源就是上海同步辐射装置上的这样一条束线站。 预计可以获得能量范围为1—22 MeV的准单色、 高强度（109—1011 s-1）和高极化度（线极化或圆极化）的γ射线束。 介绍了这条束线站目前的进展情况。 Shanghai Laser Electron Gamma Source (SLEGS) is a high intensity,short pulse and compact γ ray source which is based on inverse Compton scattering via interaction between pulsed high power laser beams and picosecond relativistic electron bunches. One of the attractive features of the laser Compton scattering is the easy control of polarization of the produced high energy photons that duplicates polarization of the applied laser beam. The γ ray with energy up to 22 MeV and intensity of 109—1011s 1 are expected to be produced by Compton backscattering of CO2 laser photons on the 3.5 GeV electrons bunches in the Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF). In this communication, we report same simulation results and the progressing status of SLEGS.     

一种紧凑型激光同步辐射光源的初步设计及应用前景

 激光与相对论电子束的康普顿散射可产生高亮度、超短脉冲、辐射波长可调、峰值亮度高的准单色、极化X射线。这是一种新型的激光同步辐射光源，以其造价低、小型紧凑等特点受到人们的重视，成为当前研究的热点。介绍了激光同步辐射光源的性质和特点，对利用北京大学超导加速器装置的电子束产生激光同步辐射进行了初步计算和设计，该波段X射线显示出了诱人的应用前景。     

一种紧凑型激光同步辐射光源的初步设计及应用前景

激光与相对论电子束的康普顿散射可产生高亮度、超短脉冲、辐射波长可调、峰值亮度高的准单色、极化X射线。这是一种新型的激光同步辐射光源,以其造价低、小型紧凑等特点受到人们的重视,成为当前研究的热点。介绍了激光同步辐射光源的性质和特点,对利用北京大学超导加速器装置的电子束产生激光同步辐射进行了初步计算和设计,该波段X射线显示出了诱人的应用前景。     

全光汤姆孙散射

随着激光和加速器技术的发展,激光场强度和粒子能量也有所提升,在高场强和高电子能量的条件下,电子与光子的汤姆孙散射过程将达到高度非线性状态,在这种状态下会发生多光子效应,即单个电子同时与多个光子相互作用并辐射一个高能光子,此过程通常称为多光子汤姆孙散射.当场强和粒子能量变得更高时,需要引入量子电动力学理论来解决极端光场物理中的动理学过程.近期,全球多台数拍瓦激光装置逐渐投入使用,激光等离子体相互作用中的此类效应会变得极其显著.而全光汤姆孙散射成为目前研究极端光场物理最佳的实验方案,因此,系统地研究全光多光子汤姆孙散射是本领域未来十年极其重要的方向.本文对近年来全光汤姆孙散射实验从单光子、低阶多光子到高阶多光子的研究进展进行了综述,并对其未来的发展方向进行了展望.另外,伴随着散射过程产生的准直高亮X/伽马射线,有望发展成为具有重要应用价值的紧凑型超亮高能光源.     

Application of Laser Compton Scattered gamma-ray beams to nondestructive detection and assay of nuclear material

Generation of energy-tunable gamma-rays via Laser Compton Scattering is of great interest for scientific studies and applications of “MeV” photons which interact with nuclei. One of the promising applications of such energy-tunable gamma-rays is the nondestructive detection and assay of nuclides which are necessary for nuclear security and safeguards. We are developing technologies relevant to gamma-ray nondestructive detection and assay, which include a high-brightness gamma-ray source based on modern laser and accelerator technologies, and gamma-ray measurement methods optimized for highly radioactive samples.     

建立激光同步辐射源的初步探讨

 进行了基于正对以及离轴几何条件下，电子与激光束间Compton / Thomson散射的激光同步辐射源的初步探讨。运用现有的直线加速器技术以及高功率、高重复频率激光器技术可以为构建超短脉冲的高亮度、准单色、可调谐的X和γ射线源开辟一条新途径。